2024年11月，Seed Biology 在线发表了华中农大欧阳亦聃教授与蒋海潮副研究员团队题为Exploiting male sterility toward the development of hybrid rice 的文章，综述了水稻雄性不育的遗传调控、分子机制和育种应用研究进展。
目前，杂交水稻的生产应用主要涉及两种类型的雄性不育：细胞质雄性不育（Cytoplasmic male sterility, CMS）和细胞核雄性不育（Genic male sterility, GMS）（图1）。细胞质雄性不育是一种母性遗传性状，多由位于细胞质线粒体的不育基因和位于细胞核的恢复基因（Restorer of fertility，Rf）共同调控，基于此建立了雄性不育系、保持系和恢复系的三系杂交稻系统。细胞质线粒体不育基因如orf79、orfH79、WA352 和FA182 等大多数起源于线粒体基因组重排，其一般通过影响线粒体电子传递链中的氧化还原反应，导致能量代谢异常，最终影响雄性生殖细胞的发育。已克隆的恢复基因中，有7个基因如Rf1a、Rf1b、Rf5、Rf6、Rf4、OsRf19 和Rf20 都编码含PPR结构的线粒体定位蛋白，通过与其它基因互作形成复合体后，影响不育基因的转录本水平或蛋白质含量以恢复育性。恢复基因Rf2 和Rf17 并非PPR 结构蛋白；Rf2通过影响 atp6-orf79 的 mRNA 水平来恢复育性，而抑制 Rf17 的表达可以恢复 CMS-CW 不育系的育性。
图1. 水稻细胞质雄性不育和细胞核雄性不育的遗传和机制模型
细胞核雄性不育由位于细胞核的基因控制，分为隐性核不育和显性核不育。其中隐性核不育中存在一种特殊的环境敏感型雄性不育，其育性在特定的光周期、温度或湿度等条件下可以发生逆转，从而使得两系杂交系统成为可能。两系不育杂交水稻制种技术的起点是1973年光周期敏感雄性核不育材料农垦58S的发现，其在长日照下雄性不育，可以用作不育系进行杂交配种；在短日照下育性恢复，可以用作保持系自交繁种。目前，一系列的环境敏感型雄性不育基因已被克隆，包括光敏不育基因pms1、pms3 和csa2 等，反光敏不育基因csa，温敏不育基因tms5、ugp1、tms10、ostms15、ostms18、ostms19与 tms9-1/OsMS1wenmin1等，以及湿敏不育基因ososc12/ospts1、osgl1-4/oscer1、hms1 与hms1i 等。非编码RNA与RNA加工在环境敏感型雄性不育基因pms1、pms3、p/tms12-1、tms5 与ugp1 的调控中发挥了重要作用。在环境敏感型雄性不育发生的过程中，pms1 与pms3、csa 与csa2 以及tms10 与tms10l 共同调控光温敏雄性不育的表型。
显性雄性核不育系是一类在自然界十分稀缺的种质资源，其在不育基因杂合的状态下即可表现出稳定的不育性，且任何可育品种与其杂交得到的F1代可分离出等比例的可育株和不育株。其中不育株可以继续作为不育系用于杂交，而可育株可以正常结实用于下一步研究或育种。水稻三明显性核不育调控基因SDGMS/OsRIP1 编码一个核糖体失活蛋白，通过抑制蛋白质翻译过程调控水稻显性雄性核不育。将显性雄性核不育材料应用于水稻杂交育种和遗传研究中，能够免去人工去雄过程，极大节省人力物力，加快水稻育种及遗传研究的效率和进程。
华中农业大学、湖北洪山实验室欧阳亦聃教授和蒋海潮副研究员为该论文共同通讯作者，蔡朝霞博士和徐聪昊博士为该论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖北省重点研发项目等的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.48130/seedbio-0024-0018
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